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全球污水處理研發焦點之一:主流厭氧氨氧化工藝

發布時間:2016/3/7 17:37:32點擊數(0)

摘要:側流厭氧氨氧化技術已經相對成熟,在世界各地的污水處理廠得到了應用。介紹了厭氧氨氧化的基本原理、技術優勢,分析了主流厭氧氨氧化面臨的挑戰,著重探討了主流厭氧氨氧化當前的技術進展,特別是NOB抑制的方法和對策。同時對奧地利Strass 污水處理廠的主流厭氧氨氧化探索進行了介紹,并對未來的發展提出了展望。

 

引言

 

污水處理生物脫氮工藝從20世紀60年代的硝化反硝化工藝為起點經過數十年的發展,逐步衍生出了多種形式的生物脫氮工藝,這些傳統工藝在穩定可靠解決富營養化的同時,消耗了大量的能源和資源(碳源)。在強調污水處理資源化、能源化的今天,以厭氧氨氧化為核心的脫氮技術被業界普遍視為未來污水處理發展的一種重要技術,由此圍繞著城市污水處理主流工藝的厭氧氨氧化技術正成為當前全球污水處理研發的焦點之一。

 

1.厭氧氨氧化原理

 

厭氧氨氧化(Anammox)是指在厭氧或者缺氧條件下,厭氧氨氧化菌以NO2--N為電子受體,氧化NH3-N為氮氣的生物過程。

 

很多污水處理工藝的進步是在實踐中觀察到某些現象進而引發后續工藝的研發,如生物除磷工藝。但也有一些技術是在已有理論的基礎上而獲得突破,厭氧氨氧化工藝在某種程度上正是如此。1977年,奧地利化學家Broda發表了一篇題為“自然界中遺失的兩種自養微生物”的文章,文章通過化學熱力學推測自然界可能存在一種微生物能夠發生式(1)中的反應:

 

NH3-N+NO2--N→N2+H2O(1)

 

之后,Mulder在處理食品廢水和Siegrist對垃圾滲濾液的處理廠進行的氮平衡都證實了這種推測。目前被普遍接受的厭氧氨氧化脫氮的化學反應方程式是1998年Strous提出的式(2):

                                              

1.jpg

實現厭氧氨氧化脫氮需要完成兩個過程,第一個過程是部分亞硝化,在這個過程中只有大約55%的氨氮需要轉化為亞硝酸鹽氮;第二個過程是厭氧氨氧化反應過程,氨氮在厭氧條件下,被厭氧氨氧化菌氧化,其中第一過程中產生的亞硝酸鹽氮作為電子受體。整個過程中,大約89%的無機氮都將被轉化產生氮氣,另外11%的無機氮被轉化為硝酸鹽氮,與傳統硝化反硝化工藝相比,厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術優勢,其曝氣能耗只有傳統工藝的55%~60%;該工藝幾乎無需碳源,即使為了去除硝酸鹽產物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源,其投加量也比傳統工藝中碳源投加量低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時,厭氧氨氧化工藝的污泥產量也遠低于傳統脫氮工藝,這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。

 

2002年,世界上第一座厭氧氨氧化工程在荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠建成。經過十余年的發展,截止到2014年全世界已有114座厭氧氨氧化工程(包括10座在建的工程和8座正在設計的工程),其中75%應用于城市污水處理廠。圍繞著該工藝的基本原理,各種專利性的厭氧氨氧化工藝得到了蓬勃發展,如DEMON、ANITA Mox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。

 

2.主流厭氧氨氧化的挑戰

 

在側流厭氧氨氧化技術不斷成熟的同時,很多研究者逐漸轉向了主流工藝的應用,因為從目前的認知來看,厭氧氨氧化菌大量存在于自然界,因此并沒有限制它在普通污水處理廠的主流工藝中用來脫氮。但與側流應用不同,主流厭氧氨氧化實現的前提條件明顯不同,主要體現在以下兩個方面。

 

(1)較低的進水氮濃度。

 

城市污水處理廠的進水總氮通常在20~75 mg/L,而其側流的濃度一般在800~3 000 mg/L。由于進水氮濃度較低會面臨以下的巨大挑戰:①側流中抑制NOB(亞硝酸鹽氧化菌)的游離氨條件不再存在;②在較低的出水氨氮濃度時(<2 mg/L),由于生長速率的差異,AOB(氨氧化菌)將難以競爭過NOB。因此,在厭氧氨氧化系統中,如果沒有后續的進一步處理,出水氨氮難以獲得很低的濃度。

 

(2)較低的進水溫度。

 

很多污水處理廠主流工藝的水溫在冬天時為10~16℃,夏季時溫度升至24~30 ℃,而側流工藝中溫度相對較高,一般都在32~38 ℃。溫度對主流厭氧氨氧化的挑戰不僅是厭氧氨氧化菌在低溫情況下增長速率較慢,AOB的增長速率也較低。

 

3.主流厭氧氨氧化工藝應用的進展

 

主流工藝的上述特點引起了一系列具體的技術問題,這些具體技術問題包括如何有效地控制AOB與厭氧氨氧化菌的生長與截留、OHO(普通異養菌)的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥齡等。下文將圍繞這些進行展開論述。

 

3.1.AOB與Anammox菌的生長與截留

 

AOB的生長與截留主要有兩種方法,一種是利用側流高氨氮、高溫利于AOB生長的條件,從側流向主流工藝中補充微生物。另外一種方法是通過生物膜的方式或通過顆粒污泥的形式,這種方式主要是依靠Anammox菌附著于填料的最內層,AOB附著在填料的外層。

 

Anammox菌的生長速率在低溫情況下非常慢,其世代時間需要1~2周,而硝化菌需要1 d。強化Anammox菌在主流工藝中的數量一種方法便是通過側流的生物強化補充。一個創新的技術是采用水力旋流器分離Anammox菌與AOB,這種技術的基本原理是利用Anammox菌密度較其他絮體微生物高的特點而開發的。圖1是DEMON工藝通過水力旋流器截留AOB與Anammox菌的示意圖,側流中的Anammox菌經過旋流器后補充主流工藝,富含AOB的溢流也排入主流,主流工藝中的污泥在經過旋流器后Anammox菌回到主流,溢流中的絮體微生物進入污泥處理單元。

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采用DEMON?工藝的污水處理廠均采用旋流器分離Anammox菌,該技術已經在奧地利Strass污水處理廠、瑞士Glanerland污水處理廠、美國Alexandria的污水處理廠等得到了應用(見圖2)。

3.jpg

奧地利Strass污水處理廠的運行經驗表明側流向主流補充Anammox菌和AOB后,并沒有降低這些微生物在側流工藝中的活性,主流工藝中Anammox菌的豐度以及顆粒的尺寸都明顯提高。進一步的跡象還表明通過旋流器的循環運行有助于防止微生物附著于Anammox菌的表面,有助于減少基質擴散阻力,維持微生物較高的活性。另外,從側流補充主流還可以克服Anammox菌對亞硝酸鹽氮親和力比NOB低的問題,使Anammox菌相對容易獲得亞硝酸鹽氮。

 

3.2.NOB的抑制

 

在傳統污水處理硝化系統中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira,在應用現代生物分析工具之前,Nitrobacter通常被認為是優勢菌種,因此很多設計和優化污水處理廠的關鍵參數是基于對純培養基的Nitrobacter而獲得數據,而人們對Nitrospira的特性知之甚少。

 

通過對Nitrospira純培養基的研究,Blackburn報道了兩種微生物的不同之處,Nitrospira在低濃度時對亞硝酸鹽氮有更高的親和力,它的亞硝酸鹽氮半飽和系數更低,游離氨對其的抑制濃度更低(0.04~0.08 mg/L)。其他的一些研究也顯示Nitrobacter對基質的親和力低、在基質濃度高的環境中易于存在;而Nitrospira對基質的親和力高、在基質濃度低的環境中易于存在。這些研究結果顯示,在低氨氮、低亞硝酸鹽氮濃度的情況下,Nitrospira更易于控制亞硝酸鹽氮的氧化。在主流工藝中,由于Nitrospira較低的半飽和系數,低濃度的環境為其提供了生長的優勢,而又能避免游離氨和游離亞硝酸的抑制。美國DC Water(哥倫比亞特區供水與污水管理局)、美國HRSD(漢普頓路衛生管理局)及Strass污水處理廠的數據都傾向于支持這種理論。HRSD的中試結果還顯示Nitrospira可能是NOB的優勢菌種,這樣在主流工藝中抑制其生長就更為困難。在這樣的背景情況下,出現了以下幾種基于上述理論的抑制NOB策略。

 

(1)控制出水氨氮。

 

Chandran的研究結果顯示,NOB比AOB對氮基質親和力更強。AOB與NOB在不同氮濃度時的生長速率見圖3,從圖中可以看出,在基質濃度較低時,NOB的生長速率要高于AOB的生長速率,因此通過維持出水氨氮在2 mg/L以上有助于使AOB的生長速率超過NOB。

4.jpg

上述結論在奧地利Strass污水處理廠得到了驗證,當時在冬季由于進水負荷的升高,出水氨氮有所升高,而此時NOB得到有效的抑制。

 

(2)SRT控制。

 

當溫度高于17 ℃時,通過嚴格控制泥齡可以淘汰NOB,但是溫度低于17 ℃時,NOB的生長速率開始超過AOB的生長速率,單純采用SRT的控制方式難以起到效果。此時,嚴格控制泥齡這種方式與DO控制、瞬時缺氧聯合控制時仍然會起到一定的效果。

 

(3)DO控制。

 

在基質不受限制的條件下,Chandran的研究結果顯示NOB的生長速率低于AOB,進一步的研究結果顯示AOB對氧的半飽和系數高于NOB,如圖4所示。這樣當DO濃度高于1 mg/L時對抑制NOB非常關鍵。在DC Water的小試及Strass污水處理廠生產性規模的試驗都表明在低DO時NOB無法抑制,而當DO>1.5mg/L時NOB的抑制效應就會出現。

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(4)瞬時缺氧。

 

瞬時缺氧指的是在曝氣狀態下突然從好氧轉為缺氧,瞬時缺氧目前被認為是抑制NOB的一種有效手段,這種方法背后的機理主要有兩種解釋:①曝氣開始后酶的活動會有一個滯后的時間;②間歇曝氣可能會擾亂生物代謝過程從而產生一些具有抑制性的中間產物,如一氧化氮。DC Water的研究結果顯示,當DO間歇地從高于1.5 mg/L瞬時轉為缺氧狀態可以成功地抑制NOB。這一結論后來在HRSD及Strass污水處理廠都得到了驗證。

 

(5)進水COD控制。

 

控制進水COD的負荷也是實現AOB生長速率最大化的一種方法,這種策略是建立在NOB和OHO對DO競爭的基礎上。這種控制策略對進水COD類型和數量都有要求,因為它會影響到NOB的淘汰和AOB的活性。當進水COD較高時,OHO不僅會與NOB競爭,而且會與AOB競爭DO和空間。當AOB的活性降低時,氧化氨氮的曝氣時間就需要延長,反硝化所需的COD就會減少。實際上,較為理想的進水COD組分是絕大多數都是溶解態的,這樣一方面不會影響到AOB的活性,另外一方面又可供OHO反硝化,抑制NOB。所以,在主流厭氧氨氧化工藝中需要優化進水COD的分配。

 

4.奧地利Strass污水處理廠的先行實踐

 

奧地利的Strass污水處理廠的能量自給與利用在國際上一直以來都處在領先地位。Strass污水處理廠的獨到之處在于它真正實現了污水處理中的能量自給。該廠總能耗為0.314kW&dot;h/m3,而廠內的總產能可達0.34kW&dot;h/m3,所以其能源自給率可達108%。

 

該廠位于奧地利西部,靠近因斯布魯克,處理奧徹恩塔爾和齊樂塔爾等地大約31個社區的污水處理,夏季人口當量為60000,冬季為旅游季節,人口當量250000。污水日處理規模根據季節變化為1.7萬~3.8萬m3,平均日處理量為2.65萬m3。

 

Strass污水處理廠采用AB工藝。A段的SRT和HRT分別設定為0.5 d和0.5 h。有機物在A段會快速被吸附,被吸附的有機物將通過污泥濃縮、消化等環節產生沼氣進行熱電聯產,A段的有機物去除率可以達到55%~65%。B段是耗能最集中的單元,僅電耗就占總能耗的47%。B段的SRT和HRT分別設定為10 d和10 h,池容為10456m3。圖5為Strass污水處理廠的工藝示意。

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Strass污水處理廠于2004年首先在側流中采用了DEMON?工藝,側流的應用使處理廠的總體能耗降低了12%。在側流的基礎上,該廠于2011年開始探索主流厭氧氨氧化的應用,并參與到美國WERF(水環境研究基金)的主流厭氧氨氧化研究項目中,在國際上發揮了重要的影響力。其具體的措施是在主流工藝上安裝了旋流器,同時采取了一系列控制措施,側流中的Anammox菌補充主流工藝,主流工藝中的旋流器分離Anammox菌并使之不斷回流到主流工藝中。在曝氣控制方面, B段采用靈活的曝氣控制方式,該控制方式可以在滿足氧氣能耗需求前提下,將所需曝氣量控制在最低水平。這種控制方式是通過對過渡區進行間歇曝氣得以實現,而曝氣量和曝氣頻率則通過在線氨氮監控儀上的兩個設置監測點來控制操作,這兩個監控點可以根據實際進水瞬時負荷自動調整,以實現良好的硝化和反硝化反應。

圖6、圖7反映的是Strass污水處理廠出水NO2--N、 NO3--N在近年的周平均值變化。在2011年的年末(圣誕節附近)出水 NO3--N明顯升高,而與此同時出水 NO3--N明顯低于上一年的同期水平,由此可見NOB得到了很好的抑制,圖8反映的是該廠脫氮率的變化。進一步的研究還證實主流工藝中厭氧氨氧化菌的活性較高。

5.展望

 

主流厭氧氨氧化的進步對未來污水處理脫氮方式的轉變具有重要的影響,這一領域的研究和探索已是當前國際污水處理發展最為引人注目之處,從目前的研究和應用進展來看,主流厭氧氨氧化技術在未來的發展可能會有如下幾個特點:

 

(1)主流厭氧氨氧化在脫氮方面具有巨大的優勢,但在生物除磷方面尚缺乏足夠的報道。主流厭氧氨氧化工藝中生物除磷的實現可能會有兩個途徑,一個途徑是在A段的高負荷活性污泥工藝中;另一個途徑是在B段工藝,Strass污水處理廠在B段觀察到了明顯的釋磷和吸磷的現象,這必將會引起眾多研究者的興趣。

 

(2)對Anammox菌近些年的研究表明,這類微生物在合適的條件下能夠氧化某些有機物,同時去除NO-3-N。這種特性可能會在未來受到更多的關注,并加以利用控制出水的NO-3-N。

 

(3)雖然主流厭氧氨氧化工藝在認識上近年來取得了長足的認識,而且這種認識依然在不斷發展、不斷深化,但目前該技術仍然處于探索階段,尚不成熟。但當前的探索階段已經不再停留于實驗室的小試、中試,更多的探索是通過污水處理廠的生產性規模的探索。目前,全球至少已有5座污水處理廠正在嘗試實踐主流厭氧氨氧化??梢灶A見,在未來相當長一段時間內,將會有更多污水處理廠直接在工程尺度上去試驗和應用。

 

每一種技術都有其自身的特點和適應性,我們在為主流厭氧氨氧化工藝巨大優勢吸引的同時,也需要清醒地看到它的適用性,在無碳分離、控制手段一般、出水水質嚴格的情況下,該技術目前尚難有作為。當其在技術金字塔的頂端閃耀著耀眼光芒的同時,支撐其應用發展的必然是寬廣而堅實的基礎。

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